Fisica della Visione Programma ragionato

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3 2 Prima parte La visione è un complesso insieme di processi fisici, fisiologici, neurologici e psicologici che portano alla percezione degli stimoli luminosi derivanti dalla radiazione elettromagnetica di un ristretto insieme di lunghezze d onda che raggiunge l occhio. La luce proveniente da una o più sorgenti primarie viene in genere modificata (trasmessa, riflessa, diffusa, assorbita) dagli oggetti fisici che ci circondano (che pertanto possono essere considerati come sorgenti luminose secondarie) e raggiunge l occhio, dove avviene lo stimolo che dà origine al fenomeno. Le sorgenti luminose La luce ha un duplice aspetto: sia ondulatorio (onde elettromagnetiche) che corpuscolare (fotoni).questadualitàdevesempreesseretenutapresentepoichécisonosituazioniincuiè necessario utilizzare la prima schematizzazione (ad esempio per spiegare il disco di Airy) e situazioni in cui è indispensabile ricorrere all altra (ad esempio per spiegare il fotocromatismo).

4 3 Un onda è, in genere, una funzione della posizione e del tempo che è soluzione dell equazione di d Alembert (o equazione delle onde). Essa può corrispondere tanto a una grandezza scalare (come, ad esempio, la variazione di pressione in un onda acustica) quanto a una grandezza vettoriale (come, ad esempio, lo spostamento dalla posizione a riposo nelle onde sismiche).

5 4 Un onda è, in genere, una funzione della posizione e del tempo che è soluzione dell equazione di d Alembert (o equazione delle onde). Essa può corrispondere tanto a una grandezza scalare (come, ad esempio, la variazione di pressione in un onda acustica) quanto a una grandezza vettoriale (come, ad esempio, lo spostamento dalla posizione a riposo nelle onde sismiche).

6 5 Dal punto di vista della propagazione è interessante prendere in considerazione le onde piane eleonde sferiche, tenendopresentecheinentrambiicasisipossonoaveretanto onde progressive quanto onde regressive. Dal punto di vista della dipendenza spazio temporale è utile prendere in considerazione le onde armoniche che, riferite alla luce, sono dette anche onde monocromatiche.

7 6 Dal punto di vista della propagazione è interessante prendere in considerazione le onde piane e le onde sferiche, tenendo presente che in entrambi icasisipossonoaveretantoonde progressive quanto onde regressive. Dal punto di vista della dipendenza spazio temporale è utile prendere in considerazione le onde armoniche che, riferite alla luce, sono dette anche onde monocromatiche.

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10 9 Nella rappresentazione formale di un onda armonica si definiscono, tra l altro, l ampiezza, la fase,lafrequenza,ilperiodo,lalunghezza d onda,lavelocità di propagazione. Tali grandezze sono utili poiché, oltre al significato strettamente matematico, hanno anche un significato fisico a volte molto importante nell ambito della visione: ad esempio la lunghezza d onda è strettamente correlata alla sensazione del colore (colori spettrali associati alla luce monocromatica) mentre l ampiezza è legata all energia trasportata dall onda (e per questo si rimanda alle considerazioni sulle grandezze radiometriche e fotometriche). Nella rappresentazione particellare l energia di un fotone è invece legata alla frequenza della corrispondente onda.

11 10 Gli effetti delle onde elettromagnetiche cambiano in maniera notevole al variare della frequenza o, corrispondentemente, della lunghezza d onda, tanto che assumono nomi differenti (ad es. onde radio, luce, raggi X, etc.) e a volte sono state trattate storicamente come grandezze fisiche differenti.

12 11 Nello spettro delle onde elettromagnetiche la luce visibile occupa una parte relativamente piccola (spettro visibile). La precisazione visibile è utile poiché la radiazione di lunghezze d onda di poco superiore (IR, infrarosso) odipocoinferiore(uv,ultravioletto) a quella visibile ha in molti casi un comportamento simile a quello della luce visibile ed è importante tenerne conto. Ad esempio molte sorgenti di luce visibile emettono anche radiazione UV ed IR ed è indispensabile tener conto dell effetto di tali radiazioni sull occhio.

13 12 Se la radiazione viene emessa in maniera uniforme in tutte le direzioni, si parla di sorgente isotropa nelcasodisorgentepuntiforme,edisorgente lambertiana nel caso di una superficie luminosa. In questo secondo caso, o nel caso di sorgente anisotropa, sidevetenercontodella direzione e dell angolo solido entro cui viene emessa la radiazione e per far ciò bisogna saper definire ed essere in grado di misurare l angolo piano (misurato in radianti) e l angolo solido (misurato in steradianti). Un altra proprietà rilevante delle sorgenti luminose è lo spettro di emissione che le caratterizza. Lo spettro è la distribuzione dell energia di un onda elettromagnetica in funzione delle varie lunghezze d onda delle onde monocromatiche che la compongono. Particolarmente importante è lo spettro solare, ovvero lo spettro di emissione del Sole, che è la principale sorgente di luce naturale. Anche se sulla superficie della Terra lo spettro solare è notevolmente influenzato dalla presenza dell atmosfera, esso nello spazio extraterrestre è ben rappresentato dallo spettro di corpo nero.

14 13 In effetti il Sole e alcune sorgenti luminose artificiali si comportano come un corpo nero, il cui spettro di emissione dipende esclusivamente dalla sua temperatura secondo la legge di Planck. Pertanto un corpo nero è caratterizzato, come sorgente luminosa, dalla sua temperatura, ma può essere anche caratterizzato, tramite la legge di Wien, dalla lunghezza d onda in corrispondenza della quale si ha il massimo dell emissione di energia.

15 14 All osservazione visiva corpi neri a differente temperatura appaiono di colore differente: ciò consente di parlare di temperatura di colore di una sorgente luminosa (anche se non è un corpo nero). In tal senso in illuminotecnica si parla di bianco caldo (o luce calda), bianco neutro (o luce neutra), bianco freddo (o luce fredda).

16 15 Nell ambito della visione, e quindi in illuminotecnica, ha dunque molta importanza non solo l energia trasportata da un onda elettromagnetica, ma anche lo spettro, ovvero come l energia è distribuita in corrispondenza delle differenti lunghezze d onda. Ciò è vero sia perché al cambiare della lunghezza d onda cambia il colore con cui l onda elettromagnetica è percepita, ma anche perché l occhio non è ugualmente sensibile alle differenti lunghezze d onda. Infatti, a parità di energia trasportata, un onda blu e un onda verde non vengono percepite della medesima intensità. Si può quindi costruire la curva di efficacia luminosa spettrale dell occhio (che è differente in visione fotopica einvisione scotopica), che consente di passare dal flusso radiante (che non tiene conto della distribuzione spettrale dell energia) al flusso luminoso (che pesa l energia in base all effetto visivo che produce). In maniera analoga, a ciascuna grandezza radiometrica (oltre il flusso radiante, le principali sono intensità radiante, irradianza, emittanza radiante, e radianza) si definisce una corrispondente grandezza fotometrica (rispettivamente intensità luminosa, illuminamento, emittanza luminosa,eluminanza). Queste grandezze, nel Sistema Internazionale (SI) di unità di misura, si esprimono utilizzando il lumen (lm), la candela (cd) e il lux (lx).

17 16 L occhio nel processo della visione L occhio svolge varie funzioni. Dal punto di vista meccanico è un sistema di puntamento in grado di far sì che l immagine dell oggetto che si sta osservando cada sulla fovea. L occhio come sistema meccanico La struttura meccanica dell occhio umano è quella di una sfera che ruota intorno a un centro di rotazione tramite l applicazione di opportune forze da parte di muscoli extraoculari (retto mediale, retto laterale, obliquo inferiore, obliquo superiore, retto superiore, retto inferiore). Considerato come un sistema rigido, l occhio ha tre gradi di libertà di rotazione che possono essere descritti come rotazioni (denominate rispettivamente adduzione/abduzione, innalzamento/abbassamento, intrarotazione/extrarotazione o inciclo/exciclo) intorno a tre assi tra loro mutuamente ortogonali: asse longitudinale (verticale), asse trasversale (orizzontale latero laterale), asse sagittale (orizzontale antero posteriore).

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19 18 Imovimentididuzione di ciascuno dei due occhi, messi in relazione tra loro, danno luogo ai movimenti di versione odivergenza. I muscoli extraoculari includono anche il muscolo elevatore della palpebra superiore ed il muscolo orbicolare dell occhio, che provvedonoacoprireoscoprireilbulbo oculare. I muscoli intraoculari (muscolo ciliare, muscolo sfintere della pupilla,emuscolo dilatatore della pupilla) controllati in coppia dal sistema orto simpatico e dal sistema para simpatico provocano la miosi/midriasi el accomodamento. I movimenti oculari fondamentali (saccadi, inseguimento lento, vergenza, riflesso vestibolooculare, nistagmo optocinetico) contribuiscono a meccanismi più complessi come il meccanismo di fissazione o i movimenti oculari effettuati durante la lettura. Essi possono essere analizzati sperimentalmente con sistemi di monitoraggio oculare (eye tracking). Fine della prima parte